(57)【要約】【課題】原水の圧力を高濃度原水の圧力とは異なる値に昇圧可能であり、海水淡水化プラント内にブースターポンプを設ける必要がなく、プラント建設コストを削減可能な動力回収装置を提供すること。【解決手段】実施形態の動力回収装置は、円筒状のロータ、複数のピストン、筒、第１の端板、第２の端板及びボルトを備えている。前記ロータは、当該ロータの２つの底面を貫通するように当該ロータの円周に沿って等間隔に形成され、複数の異なる直径の円筒形状を組み合わせてなる複数の第１の貫通孔を有する。前記各ピストンは、前記各第１の貫通孔内に配設され、前記ロータの長手方向に沿って往復運動可能に配設される。前記各第１の貫通孔は、前記ロータ内部に形成された１つの連結空間を介して互いに連通している。【選択図】図３
2013117192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ポンプにより昇圧した原水を逆浸透膜に供給し、前記逆浸透膜から淡水を取り出すとともに、高濃度原水を排出する海水淡水化プラントに用いられ、前記高濃度原水が有する動力を回収する動力回収装置であって、
前記動力回収装置は、
円筒状のロータと、
前記ロータ内部に配設されるとともに、前記ロータの長手方向に沿って往復運動可能に配設された複数のピストンと、
前記ロータの外周上に隙間を有して、当該ロータを収容するように配置された筒と、
前記筒の一方の底面に密着するように配置され、前記逆浸透膜から排出された高濃度原水を前記ロータ内部に導く第１の流入貫通孔が形成された第１の端板と、
前記筒の一方の底面とは反対側の他方の底面に密着するように配置され、前記ロータ内部から排出される原水を前記高圧ポンプに導く第１の流出貫通孔が形成された第２の端板と、
前記ロータ、前記第１の端板及び前記第２の端板の中心部を貫通し、前記ロータ、前記第１の端板及び前記第２の端板を同軸上に固定するボルトと
を備え、
前記ロータは、
当該ロータの２つの底面を貫通するように当該ロータの円周に沿って等間隔に形成され、複数の異なる直径の円筒形状を組み合わせてなる複数の第１の貫通孔を有し、
前記各ピストンは、
前記各第１の貫通孔内に配設され、
前記各第１の貫通孔は、
前記ロータ内部に形成された１つの連結空間を介して互いに連通していることを特徴とする動力回収装置。
【請求項２】
前記ボルトは、両端にナットを螺合させ、前記ロータ、前記第１の端板及び前記第２の端板を同軸上に固定することを特徴とする請求項１に記載の動力回収装置。
【請求項３】
前記第１の端板は、底面の中心部を境界とした第１の領域と第２の領域とのうち、第１の領域に形成された前記第１の流入貫通孔につながり、かつ前記ロータに対向する底面の第１の領域の円周に沿って形成されたテーパ状の溝を備え、
前記第２の端板は、底面の中心部を境界とした第３の領域と第４の領域とのうち、第３の領域に形成された前記第１の流出貫通孔につながり、かつ前記ロータに対向する底面の第３の領域の円周に沿って形成されたテーパ状の溝を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の動力回収装置。
【請求項４】
前記第１の端板は、前記ロータ内部から排出される高濃度原水を外部に導き、かつ一方の底面から他方の底面まで貫通するように形成された第２の流出貫通孔と、この第２の流出貫通孔につながり、かつ前記ロータに対向する底面の前記第２の領域の円周に沿って形成されたテーパ状の溝とを更に備え、
前記第２の端板は、外部から供給される原水を前記ロータ内部に導き、かつ一方の底面から他方の底面まで貫通するように形成された第２の流入貫通孔と、この第２の流入貫通孔につながり、かつ前記ロータに対向する底面の前記第４の領域の円周に沿って形成されたテーパ状の溝とを更に備えたことを特徴とする請求項３に記載の動力回収装置。
【請求項５】
前記各第１の貫通孔は、２つの異なる直径の円筒形状を組み合わせて形成され、この２つの円筒形状のうち、前記第１の端板側に位置する第１の円筒形状の直径が、前記第２の端板側に位置する第２の円筒形状の直径より短いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の動力回収装置。
【請求項６】
前記各第１の貫通孔は、前記第１の端板側に位置する端部に前記各ピストンを係止する環状のストッパが固着されたことを特徴とする請求項５に記載の動力回収装置。
【請求項７】
前記第１の端板の前記ロータに対向する底面とは反対側の底面に前記中心部を囲むように一方の端部が固着され、前記ボルトが貫通する当該中心部の貫通孔からリークする原水及び高濃度原水を外部に排出するパイプと、
前記パイプの他方の端部に固着され、当該パイプを介して前記各第１の貫通孔、前記連結空間、前記中心部の貫通孔及び前記パイプに連通する空間の圧力を調整する圧力調整器とを更に備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の動力回収装置。
【請求項８】
前記圧力調整器は、前記パイプと接続される入口部分の圧力が予め設定された圧力以下である場合には、前記リークした原水及び高濃度原水を外部に排出せず、前記入口部分の圧力が予め設定された圧力以上である場合には、前記リークした原水及び高濃度原水を外部に排出することを特徴とする請求項７に記載の動力回収装置。
【請求項９】
前記筒の長手方向の長さは、前記ロータの長手方向の長さより長いことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の動力回収装置。
【請求項１０】
前記ロータ、前記ピストン、前記筒、前記第１の端板及び前記第２の端板の材質は、スーパー二相ステンレス鋼またはセラミックであることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の動力回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、動力回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＲＯ膜と称される逆浸透膜を用いることで複数の成分を含む水（以下、原水と呼ぶ）を処理する液体処理装置（例えば、海水淡水化プラント）がある。この液体処理装置は、高圧の原水を逆浸透膜に供給し、この逆浸透膜において原水から水を抽出する。なお、逆浸透膜において抽出される水の割合は、逆浸透膜に供給される原水の圧力が高い程、高くなる傾向がある。
【０００３】
しかしながら、逆浸透膜に供給される原水の圧力を高めるためには、原水の圧力を高めるための原水圧力上昇装置（以下、高圧ポンプと呼ぶ）に多大なエネルギーを用いる必要がある。この高圧ポンプに用いるエネルギー、すなわち高圧ポンプが必要とする動力［Ｗ］は、圧力［Ｐａ］と流量［ｍ３／ｓ］との積によって算出される。
【０００４】
そこで、逆浸透膜において原水から水を抽出した後の原水（以下、高濃度原水と呼ぶ）の動力を用いることにより、新たな原水を一定の値まで昇圧させ、高圧ポンプの負荷を減らす動力回収装置がある。このような動力回収装置としては、例えば、容積型ピストンポンプを有する動力回収装置がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】２００９−１０３１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような動力回収装置では、容積型ピストンポンプのピストンは、高濃度原水を受ける面と原水を押し出す面とが同一の形状となるように設計される。このため、容積型ピストンポンプが、原水の圧力を高濃度原水の圧力（例えば、５．７ＭＰａ）と同じ値にまで加圧するという不都合がある。これは、容積型ピストンポンプにより加圧された原水の圧力（すなわち、５．７ＭＰａ）を、逆浸透膜に供給する原水の圧力（例えば、６．０ＭＰａ）にまで昇圧させるためのブースターポンプが必要となるためである。なお、ブースターポンプは、圧力をわずかに昇圧させる場合に用いられるポンプである。ブースターポンプが必要となると、海水淡水化プラント内での電力消費量を増加させるだけでなく、プラントを建設するための費用（以下、プラント建設コストと呼ぶ）を増加させるといった不都合が生じる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、原水の圧力を高濃度原水の圧力とは異なる値に昇圧可能であり、海水淡水化プラント内にブースターポンプを設ける必要がなく、プラント建設コストを削減可能な動力回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の動力回収装置は、高圧ポンプにより昇圧した原水を逆浸透膜に供給し、前記逆浸透膜から淡水を取り出すとともに、高濃度原水を排出する海水淡水化プラントに用いられ、前記高濃度原水が有する動力を回収する。
【０００９】
前記動力回収装置は、円筒状のロータ、複数のピストン、筒、第１の端板、第２の端板及びボルトを備えている。
【００１０】
前記各ピストンは、前記ロータ内部に配設されるとともに、前記ロータの長手方向に沿って往復運動可能に配設される。
【００１１】
前記筒は、前記ロータの外周上に隙間を有して、当該ロータを収容するように配置される。
【００１２】
前記第１の端板は、前記筒の一方の底面に密着するように配置され、前記逆浸透膜から排出された高濃度原水を前記ロータ内部に導く第１の流入貫通孔が形成される。
【００１３】
前記第２の端板は、前記筒の一方の底面とは反対側の他方の底面に密着するように配置され、前記ロータ内部から排出される原水を前記高圧ポンプに導く第１の流出貫通孔が形成される。
【００１４】
前記ボルトは、前記ロータ、前記第１の端板及び前記第２の端板の中心部を貫通し、前記ロータ、前記第１の端板及び前記第２の端板を同軸上に固定する。
【００１５】
前記ロータは、当該ロータの２つの底面を貫通するように当該ロータの円周に沿って等間隔に形成され、複数の異なる直径の円筒形状を組み合わせてなる複数の第１の貫通孔を有する。
【００１６】
前記各ピストンは、前記各第１の貫通孔内に配設される。
【００１７】
前記各第１の貫通孔は、前記ロータ内部に形成された１つの連結空間を介して互いに連通している。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係る動力回収装置を含む海水淡水化プラントの構成例を示す模式図である。
【図２】同実施形態に係る動力回収装置の外観例を示す模式図である。
【図３】同実施形態に係る動力回収装置の構成例を示す模式図である。
【図４】同実施形態に係るロータを切断する位置を表す切断線を示す模式図である。
【図５】同実施形態に係るロータを切断した場合のロータの断面図である。
【図６】同実施形態に係るロータ内に形成される連結空間を示す模式図である。
【図７】同実施形態に係るロータ内に形成される連結空間を示す模式図である。
【図８】同実施形態に係るロータの構成例を示す模式図である。
【図９】同実施形態に係るロータの構成例を示す模式図である。
【図１０】同実施形態に係るロータ内に形成される連結空間の機能を説明するための模式図である。
【図１１】同実施形態に係る第１の端板の形状例を示す模式図である。
【図１２】同実施形態に係る第２の端板の形状例を示す模式図である。
【図１３】同実施形態に係るロータの回転方向を示す模式図である。
【図１４】同実施形態に係るロータの回転原理を説明するための模式図である。
【図１５】同実施形態に係るロータの回転方向を示す模式図である。
【図１６】同実施形態に係る第１の端板の形状の変形例を示す模式図である。
【図１７】同実施形態に係る動力回収装置の変形例を示す模式図である。
【図１８】同実施形態に係る動力回収装置の変形例を示す模式図である。
【図１９】同実施形態に係る動力回収装置の変形例を含む海水淡水化プラントの構成例を示す模式図である。
【図２０】同実施形態に係る動力回収装置を含む海水淡水化プラントの構成の変形例を示す模式図である。
【図２１】第２の実施形態に係る動力回収装置の外観例を示す模式図である。
【図２２】同実施形態に係る第１の端板の形状例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る動力回収装置を含む海水淡水化プラントの構成例を示す模式図である。図１における海水淡水化プラントでは、汲み上げられた海水は、前処理系１で薬品処理され、送水ポンプ２により、保安フィルタ３へ送水される。保安フィルタ３を通過した原水は、動力回収装置４へ供給される。このとき、保安フィルタ３から出力された原水の圧力は、通常、０．２ＭＰａ程度である。
【００２０】
高圧ポンプ５は、動力回収装置４から供給された原水を昇圧し、逆浸透膜６（換言すると、高圧ＲＯ膜）へ出力する。このとき、昇圧後の圧力は、逆浸透膜６の種類によって異なるが、ここでは代表値として６．０ＭＰａとする。
【００２１】
逆浸透膜６は、供給された原水をろ過する。逆浸透膜６の回収率が４０％の場合、逆浸透膜６からは、流入した流量の４０％の淡水と、６０％の高濃度原水とが排出される。このとき、淡水の圧力は、通常、０．２ＭＰａ程度まで低下するが、高濃度原水の圧力は５．７ＭＰａ程度である。逆浸透膜６からの淡水は図示しない低圧ポンプへ供給され、高濃度原水は動力回収装置４へ供給される。
【００２２】
動力回収装置４は、高濃度原水に含まれる圧力エネルギーを利用し、保安フィルタ３からの原水を昇圧して出力する。動力回収装置４から出力される原水は、高圧ポンプ５に送水され、逆浸透膜６へ導入される。
【００２３】
バルブ７は、逆浸透膜６から排出される高濃度原水の圧力を下げて、原水の圧力を微調整する。
【００２４】
＜動力回収装置４の構成の説明＞
ここで、動力回収装置４の構成について説明する。
【００２５】
図２は、動力回収装置の外観例を示す模式図である。この動力回収装置４は、図２（ａ）に示すように、高圧の高濃度原水（すなわち、逆浸透膜６から供給される高濃度原水）が流入する第１の流入口Ｅｎ１と、低圧の高濃度原水が流出する第１の流出口Ｅｘ１と、図２（ｂ）に示すように、低圧の原水（すなわち、保安フィルタ３から供給される原水）が流入する第２の流入口Ｅｎ２と、中圧の原水（すなわち、動力回収装置４により昇圧された原水）が流出する第２の流出口Ｅｘ２とを有している。
【００２６】
図３は、動力回収装置の構成例を示す模式図である。動力回収装置４は、図３に示すように、ロータ４１、筒４２、第１の端板４３、第２の端板４４、ボルト４５、ナット４６及び座金４７を備えている。具体的には、動力回収装置４は、円筒状のロータ４１と、ロータ４１の外周上に隙間を有して、当該ロータ４１を収容するように配置される筒４２と、筒４２に密着するように各々配置される第１の端板４３及び第２の端板４４と、ロータ４１、第１の端板４３及び第２の端板４４の中心部を貫通し、ロータ４１、筒４２、第１の端板４３及び第２の端板４４を同軸上に固定するボルト４５と、ボルト４５を固定するナット４６及び座金４７とを備えている。なお、ロータ４１の底面は、直径（より詳細には外径）が筒４２の直径（より詳細には内径）より数ミクロンから数十ミクロン短くなるように形成され、ロータ４１と筒４２との隙間には、水が充填される。また、筒４２の底面は、直径が第１の端板４３及び第２の端板４４の直径と同じ長さになるように形成される。また、筒４２は、全長（高さ）がロータ４１の全長（高さ）よりも長くなるように形成される（換言すると、筒４２は、長手方向の長さがロータ４１の長手方向の長さより長くなるように形成される）。更に、ボルト４５は、両端に座金４７を介してナット４６を螺合させることで、ロータ４１、筒４２、第１の端板４３及び第２の端板４４を同軸上に固定している。
【００２７】
ここで、ロータ４１の構成について、図４〜図１０の模式図を参照しながら説明する。
【００２８】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ロータを切断する位置を表す切断線を示す模式図である。また、図５（ａ）は、図４（ａ）に示す切断線によりロータを切断した場合のロータの断面図であり、図５（ｂ）は、図４（ｂ）に示す切断線によりロータを切断した場合のロータの断面図である。
【００２９】
ロータ４１は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、複数の第１の貫通孔４１１、第２の貫通孔４１２及び連結空間４１３を有する。
【００３０】
各第１の貫通孔４１１は、第１の端板４３側の底面に形成された穴ｈ１から第２の端板４４側の底面に形成された穴ｈ２までを貫通するように、ロータ４１の円周に沿って等間隔に形成される。また、穴ｈ１は、直径が穴ｈ２の直径よりも短くなるように形成され、各第１の貫通孔４１１は、穴ｈ１を底面とした円筒状の空間（以下、第１の空間と呼ぶ）と、穴ｈ２を底面とした円筒状の空間（以下、第２の空間と呼ぶ）とを組み合わせて形成される（すなわち、各第１の貫通孔４１１は、２つの異なる直径の円筒形状を組み合わせて形成される）。第１の空間には、高圧の高濃度原水が逆浸透膜６から供給され、第２の空間には、低圧の原水が保安フィルタ３から供給される。
【００３１】
第２の貫通孔４１２は、第１の端板４３側の底面の中心に形成された穴ｈ３から第２の端板４４側の底面の中心に形成された穴ｈ４までを貫通するように形成される。また、穴ｈ３は、直径が穴ｈ４の直径より長くなるように形成され、第２の貫通孔４１２は、第１の貫通孔４１１と同様に、穴ｈ３を底面とした円筒状の空間（以下、第３の空間と呼ぶ）と、穴ｈ４を底面とした円筒状の空間（以下、第４の空間と呼ぶ）とを組み合わせて形成される。第２の貫通孔４１２には、ロータ４１、筒４２、第１の端板４３及び第２の端板４４を同軸上に固定するためのボルト４５が通される。
【００３２】
連結空間４１３は、図６及び図７に示すように、複数の第１の貫通孔４１１を互いにつなぐ（連通させる）ように形成された空間である。この連結空間４１３に通じる穴は、各第１の貫通孔４１１を形成する第１の空間と第２の空間との境目（又は、第２の貫通孔４１２を形成する第３の空間と第４の空間との境目）に形成される。本実施形態では、連結空間４１３は、図６及び図７に示すように、円筒状の空間であるとしたが、連結空間４１３の形状は、各第１の貫通孔４１１をつなぐように形成されるのであれば、これに限定されない。例えば、連結空間４１３は、多角柱の空間であってもよい。
【００３３】
上記のように形成されたロータ４１は、図８に示すように、複数のピストン４１４と複数のストッパ４１５とをロータ４１内部に配設している。
【００３４】
各ピストン４１４は、第１の貫通孔４１１内に各々配設され、穴ｈ１の直径より数μｍ〜数十μｍだけ短い直径の底面を有する円柱（以下、第１の円柱と呼ぶ）と、穴ｈ２の直径より数μｍ〜数十μｍだけ短い直径の底面を有する円柱（以下、第２の円柱と呼ぶ）とを組み合わせて形成される。各ピストン４１４は、逆浸透膜６から供給される高圧の高濃度原水と、保安フィルタ３から供給される低圧の原水との圧力によって、ロータ４１の長手方向（軸方向）に沿って往復運動し、中圧の原水をロータ４１から第２の端板４４に吐出させ、低圧の高濃度原水をロータ４１から第１の端板４３に吐出させる。
【００３５】
各ストッパ４１５は、第２の円柱の底面の直径より長く、穴ｈ２の直径より短い直径を有した環状（リング状）に形成され、図９に示すように、穴ｈ２に固着される。各ストッパ４１５は、第１の貫通孔４１１内に格納されたピストン４１４を外部に飛び出させないために設けられる（換言すると、各ストッパ４１５は、ピストン４１４を第１の貫通孔４１１内に閉止するために設けられる）。
【００３６】
ここで、ロータ４１内部に形成される連結空間４１３の機能について、図１０の模式図を参照しながら説明する。
【００３７】
ロータ４１内部に形成された第１の貫通孔４１１内に配設されるピストン４１４は、図１０に示すように、穴ｈ１から流入する高圧の高濃度原水の圧力によって軸方向（図１０の矢印の方向）に移動する。このとき、第１の貫通孔４１１の第２の空間とピストン４１４との間に密閉空間Ｓｐができ、この密閉空間Ｓｐの容積がピストン４１４の移動に伴い変動する。
【００３８】
ここで、連結空間４１３が存在せず、密閉空間Ｓｐ内に空気が充満していると仮定する。この場合、密閉空間Ｓｐ内の空気の圧力によって、ピストン４１４が軸方向に移動できず、動力回収装置４が正常に動作しない。次に、連結空間４１３が存在せず、密閉空間Ｓｐ内に水が充満していると仮定する。この場合、非圧縮流体である水が密閉空間Ｓｐ内に充満しているので、ピストン４１４が軸方向に移動できず、上記と同様に、動力回収装置４が正常に動作しない。
【００３９】
しかしながら、図１０に示すように、ロータ４１内部に形成された各第１の貫通孔４１１を互いにつなぐ連結空間４１３が形成されることにより、密閉空間Ｓｐ内に空気や水が充満したとしても、この空気や水を連結空間４１３に、又は、連結空間４１３を介して別の密閉空間Ｓｐに移動させることが可能になる。これにより、ピストン４１４が軸方向に移動できず、動力回収装置４が正常に動作しないといったことを防ぐことが可能になる。
【００４０】
このように、ロータ４１内部に形成される連結空間４１３は、密閉空間Ｓｐ内に充満する空気や水の流路として機能する。
【００４１】
次に、第１の端板の形状について、図１１の模式図を参照しながら説明する。
【００４２】
第１の端板４３は、ロータ４１の底面に形成された穴ｈ１側に配置され、筒４２と同じ直径の長さの底面を有するように（例えば、円筒状）形成される。第１の端板４３は、２つの第３の貫通孔（第１の流入貫通孔及び第２の流出貫通孔）４３１、第４の貫通孔４３２及び２つのテーパ溝４３３を有する。
【００４３】
２つの第３の貫通孔４３１は、第１の貫通孔４１１と同軸上に形成され、第１の端板４３のロータ４１側の底面に形成された第１の流入口Ｅｎ１´と第１の流出口Ｅｘ１´とを、もう一方の底面に形成された第１の流入口Ｅｎ１と第１の流出口Ｅｘ１とまで貫通させるように形成される。２つの第３の貫通孔４３１のうちの一方は、底面の中心部を境界とした第１の領域と第２の領域とのうちの第１の領域に形成され、もう一方が、第２の領域に形成される。なお、２つの第３の貫通孔４３１のうちの一方は、逆浸透膜６から供給される高圧の高濃度原水の流路であり、もう一方の第３の貫通孔４３１は、ロータ４１から吐出される低圧の高濃度原水の流路である。
【００４４】
第４の貫通孔４３２は、第２の貫通孔４１２と同軸上に形成され、第１の端板４３のロータ４１側の底面に形成された穴ｈ５からもう一方の底面に形成された穴ｈ６までを貫通するように形成される。穴ｈ５，ｈ６は、直径が穴ｈ３と同じ長さになるように形成される。
【００４５】
２つのテーパ溝４３３は、第１の端板４３のロータ４１側の底面の第１の領域または第２の領域の円周に沿ってテーパ状にそれぞれ形成され、かつ第１の流入口Ｅｎ１´と第１の流出口Ｅｘ１´とにそれぞれつながるように形成される。
【００４６】
更に、第２の端板の構成について、図１２の模式図を参照しながら説明する。
【００４７】
第２の端板４４は、ロータ４１の底面に形成された穴ｈ２側に配置され、筒４２と同じ直径の長さの底面を有するように（例えば、円筒状）形成される。第２の端板４４は、２つの第５の貫通孔（第２の流出貫通孔及び第２の流入貫通孔）４４１、第６の貫通孔４４２及び２つのテーパ溝４４３を有する。
【００４８】
２つの第５の貫通孔４４１は、第１の貫通孔４１１と同軸上に形成され、第２の端板４４のロータ４１側の底面に形成された第２の流入口Ｅｎ２´と第２の流出口Ｅｘ２´とを、もう一方の底面に形成された第２の流入口Ｅｎ２と第２の流出口Ｅｘ２とまで貫通させるように形成される。２つの第５の貫通孔４４１のうちの一方は、底面の中心部を境界とした第３の領域と第４の領域とのうちの第３の領域に形成され、もう一方が、第４の領域に形成される。なお、２つの第５の貫通孔４４１のうちの一方は、保安フィルタ３から供給される低圧の原水の流路であり、もう一方の第５の貫通孔４４１は、ロータ４１から吐出される中圧の原水の流路である。
【００４９】
第６の貫通孔４４２は、第２の貫通孔４１２と同軸上に形成され、第２の端板４４のロータ４１側の底面に形成された穴ｈ７からもう一方の底面に形成された穴ｈ８までを貫通するように形成される。穴ｈ７，ｈ８は、直径が穴ｈ４と同じ長さになるように形成される。
【００５０】
２つのテーパ溝４４３は、第２の端板４４のロータ４１側の底面の第３の領域または第４の領域の円周に沿ってにテーパ状にそれぞれ形成され、かつ第２の流入口Ｅｎ２´と第２の流出口Ｅｘ２´にそれぞれつながるように形成される。
【００５１】
なお、本実施形態に係る動力回収装置４を構成するロータ４１、筒４２、第１の端板４３及び第２の端板４４の材質には、例えば、スーパー二相ステンレス鋼またはセラミック等が適用される。
【００５２】
＜動力回収装置４の動作の説明＞
ここで、逆浸透膜６から高圧の高濃度原水が供給された場合の動力回収装置４の動作について説明する。
【００５３】
なお、ロータ４１内の第１の貫通孔４１１の第２の空間には、保安フィルタ３から供給された低圧の原水が充満しているものとする。低圧の原水は保安フィルタ３から送水されると、第２の端板４４の底面に形成された第２の流入口Ｅｎ２から第５の貫通孔４４１及びテーパ溝４４３を通過して、ロータ４１内の第１の貫通孔４１１の第２の空間に流入する。
【００５４】
始めに、逆浸透膜６から供給される高圧の高濃度原水が、第１の端板４３の底面に形成された第１の流入口Ｅｎ１から第１の端板４３内の第３の貫通孔４３１に流入する。この高圧の高濃度原水は第３の貫通孔４３１及びテーパ溝４３３を通過して、ロータ４１の底面に形成された穴ｈ１から第１の貫通孔４１１の第１の空間に流入する。高圧の高濃度原水が第１の貫通孔４１１の第１の空間に流入すると、第１の貫通孔４１１内に配設されたピストン４１４が、当該流入した高濃度原水の圧力によって軸方向（すなわち、第１の貫通孔４１１の第２の空間側）に移動する。これにより、ピストン４１４は、第２の空間に充満した低圧の原水の圧力を昇圧させた後に、昇圧後の原水（すなわち、中圧の原水）を穴ｈ２から第２の端板４４の第５の貫通孔４４１に吐出させる。しかる後に、昇圧後の原水は第２の端板４４内の第５の貫通孔４４１を通過して、第２の端板４４の底面に形成された第２の流出口Ｅｘ２から吐出され、高圧ポンプ５に送水される。
【００５５】
ここで、例えば、圧力Ｐ１の高濃度原水が逆浸透膜６から供給され、この高濃度原水が、ロータ４１の底面に形成された面積Ａ１の穴ｈ１から第１の貫通孔４１１に流入し、第１の貫通孔４１１内に格納されたピストン４１４が軸方向に移動することで、ロータ４１内の第２の空間に充満した原水の圧力を昇圧させ、圧力Ｐ２の原水（すなわち、昇圧後の原水）がロータ４１の底面に形成された面積Ａ２の穴ｈ２から吐出されたと仮定する。
【００５６】
このとき、昇圧後の原水の圧力Ｐ２は、ピストン４１４に作用する力の関係から、以下の数式（１）に基づいて算出される。
【００５７】
Ｐ２＝Ｐ１×Ａ１／Ａ２                                              …（１）
なお、上記動作により、ロータ４１は、図１３に示す矢印の方向に１８０度回転する。
【００５８】
ここで、ロータ４１が図１３に示す矢印の方向に回転する原理について、図１４の模式図を参照しながら説明する。
【００５９】
逆浸透膜６から動力回収装置４に高圧の高濃度原水が供給されると、この高濃度原水は、第１の端板４３の底面に形成された第１の流入口Ｅｎ１から第１の端板４３内の第３の貫通孔４３１を通過して、第１の端板４３に形成されたテーパ溝４３３に流入する。このテーパ溝４３３は、図１１に示すように、傾斜のついたテーパ状の溝である。このため、テーパ溝４３３に流入した高濃度原水は、図１４に示すように、面ｆ１にぶつかるような方向の流れをもって、ロータ４１内に形成された各第１の貫通孔４１１に流入する。このように高濃度原水が第１の貫通孔４１１内の面ｆ１にぶつかると、面ｆ１に動圧が生じる。この動圧が、図１３に示す矢印の方向にロータ４１を回転させる。
【００６０】
次に、上記動作によって、中圧の原水を第２の流出口Ｅｘ２から吐出した後に、保安フィルタ３から低圧の原水が供給された場合の動力回収装置４の動作について説明する。
【００６１】
なお、ロータ４１内の第１の貫通孔４１１の第１の空間には、低圧の高濃度原水が充満しているものとする。
【００６２】
始めに、保安フィルタ３から供給される低圧の原水が、第２の端板４４の底面に形成された第２の流入口Ｅｎ２から第２の端板４４内の第５の貫通孔に流入する。この低圧の原水は第５の貫通孔及びテーパ溝４４３を通過して、ロータ４１の底面に形成された穴ｈ２から第１の貫通孔４１１の第２の空間に流入する。低圧の原水が第１の貫通孔４１１の第２の空間に流入すると、第１の貫通孔４１１内に配設されたピストン４１４が、当該流入した原水の圧力によって軸方向（すなわち、第１の貫通孔４１１の第１の空間側）に移動する。これにより、ピストン４１４は、第１の空間に充満した低圧の高濃度原水を穴ｈ１から第１の端板４３の第３の貫通孔４３１に吐出させる。しかる後に、低圧の高濃度原水は第１の端板４３内の第３の貫通孔４３１を通過して、第１の端板４３の底面に形成された第１の流出口Ｅｘ１から外部に排水される。
【００６３】
なお、上記動作により、ロータ４１は、図１５に示す矢印の方向（すなわち、図１３に示す矢印の方向と逆方向）に１８０度回転する。
【００６４】
＜数値例の説明＞
ここで、本実施形態に係る動力回収装置４から吐出される昇圧後の原水の圧力Ｐ３の値を、具体的な数値を用いて算出する数値例について説明する。
【００６５】
なお、数値例を説明する前に、流量収支（以下、単に流量と呼ぶ）について説明する。
【００６６】
ロータ４１内の第１の貫通孔４１１に流入する高圧の高濃度原水の流量Ｑ１は、穴ｈ１の面積Ａ１と、第１の貫通孔４１１内に格納されたピストン４１４の移動量ｘとを掛け合わせることで算出される（すなわち、Ｑ１＝Ａ１×ｘ）。また、ロータ４１内の第１の貫通孔４１１から吐出される昇圧後の原水の流量Ｑ２は、流量Ｑ１と同様に、穴ｈ２の面積Ａ２と、第１の貫通孔４１１内に格納されたピストン４１４の移動量ｘとを掛け合わせることで算出される（すなわち、Ｑ２＝Ａ２×ｘ）。ピストン４１４の移動量が共通の値ｘであるため、以下の数式（２）が導出される。
【００６７】
Ｑ１×Ａ２＝Ｑ２×Ａ１                                              …（２）
下記では、上記数式（１），（２）を用いて、数値例について説明する。
【００６８】
ここでは、具体的な数値として、逆浸透膜６の膜回収率が５０％であると仮定する。また、逆浸透膜６に供給される原水の圧力が６．０ＭＰａを示し、逆浸透膜６から動力回収装置４に供給される高濃度原水の圧力が５．７ＭＰａを示すと仮定する。更に、保安フィルタ３から動力回収装置４に供給される原水の圧力が０．２ＭＰａを示すと仮定する。
【００６９】
逆浸透膜６の膜回収率が５０％であるため、逆浸透膜６に供給される流量を１と仮定した場合、逆浸透膜６から動力回収装置４に供給され、ロータ４１内の第１の貫通孔４１１に流入する高濃度原水の流量Ｑ１は０．５となる。また、高圧ポンプ５内での流体の漏れがないと仮定すると（すなわち、高圧ポンプ５に流入したときの流量と、高圧ポンプ５から流出するときの流量とが同じ値を示す）と仮定すると、ロータ４１内の第１の貫通孔４１１から吐出される昇圧後の原水の流量Ｑ２と、逆浸透膜６に供給される流量とは同じ値、すなわち１となる。このため、穴ｈ１の面積Ａ１と穴ｈ２の面積Ａ２との面積比は、数式（２）に基づいて、１：２（＝Ａ１：Ａ２）と算出される。
【００７０】
ここで、昇圧後の原水の圧力Ｐ２は、数式（１）と、面積Ａ１及び面積Ａ２の面積比と、逆浸透膜６から動力回収装置４に供給される高濃度原水の圧力５．７ＭＰａとに基づいて、２．８５ＭＰａ（＝５．７×１／２）と算出される。動力回収装置４から吐出される原水は、高圧ポンプ５に送水され、高圧ポンプ５において、２．８５ＭＰａから６．０ＭＰａに昇圧された後に、逆浸透膜６に再度供給される。
【００７１】
以上説明した第１の実施形態によれば、２つの円柱を組み合わせた形状のピストン４１４と、密閉空間Ｓｐ内に充満する水や空気の流路である連結空間４１３とを有するロータ４１を備えた構成により、ピストン４１４が正常に軸方向に移動可能であり、動力回収装置４に充満した原水を逆浸透膜６から供給される高濃度原水の圧力とは異なる値の圧力に昇圧することができる。
【００７２】
以下に、第１の実施形態の変形例について記載する。
【００７３】
本実施形態では、第１の端板４３及び第２の端板４４の形状が同様であるとしたが、これに限定されず、例えば、第１の端板４３のロータ４１側の底面に、図１６に示すような溝４３４を形成してもよい。この溝４３４は、第１の端板４３の第１の流出口Ｅｘ１につながる第３の貫通孔４３１と第４の貫通孔４３２とをつなぐように形成される。溝４３４は、密閉空間Ｓｐに充満した水が連結空間４１３を介して第２の貫通孔４１２に流出した場合に、この水を第１の端板４３内に形成された第３の貫通孔４３１に導く流路として機能する。溝４３４が第１の端板４３のロータ４１側の底面に形成されることにより、密閉空間Ｓｐが、ロータ４１内に形成された連結空間４１３及び第２の貫通孔４１２と、第１の端板４３の底面に形成された溝４３４と第１の端板４３内に形成された第３の貫通孔４３１とを介して低圧の高濃度原水につながるため、密閉空間Ｓｐ内の圧力を低圧の高濃度原水と等しくすることができる。
【００７４】
また、同実施形態では、動力回収装置４は、逆浸透膜６から供給された高濃度原水が第１の端板４３を介してロータ４１に流入し、この高濃度原水の圧力を用いて、保安フィルタ３から供給された原水を昇圧させ、昇圧後の原水を第２の端板４４から吐出させる構成としたが、これに限定されず、例えば、図１７及び図１８に示すように、高濃度原水が第２の端板４４を介してロータ４１に流入し、この高濃度原水の圧力を用いて原水を昇圧させ、昇圧後の原水を第１の端板４３から吐出させる構成であってもよい。高濃度原水が第２の端板４４から流入する場合、第１の端板４３から吐出される原水の圧力Ｐ２を、第２の端板４４から流入する高濃度原水の圧力Ｐ１より高くすることができる。この動力回収装置４は、図１９に示すような海水淡水化プラント内に設けることが可能であり、動力回収装置４において、原水の圧力を必要な値にまで昇圧させるため、ブースターポンプを設ける必要がなく、プラント建設コストの削減を実現することができる。
【００７５】
更に、同実施形態では、動力回収装置４が、図１に示す海水淡水化プラントに含まれる構成としたが、これに限定されず、例えば、動力回収装置４が、図２０に示すように、インバータ８を備えた海水淡水化プラントに含まれる構成としてもよい。この場合、海水淡水化プラント内にバルブ７が設けられていないため、逆浸透膜６から供給される高圧の高濃度原水の圧力を調整できず、動力回収装置４による昇圧量の調整ができない。しかしながら、インバータ８を用いて高圧ポンプ５の回転数を変えることで、逆浸透膜６に流入する原水の圧力を調整することが可能となる。なお、インバータ８は、通常、ブースターポンプより建設コストが低いため、本構成においても、プラント建設コストの削減を実現することができる。
【００７６】
［第２の実施形態］
図２１は、第２の実施形態に係る動力回収装置の外観例を示す模式図である。
【００７７】
この動力回収装置４´は、図２１に示すように、ロータ４１、筒４２、第１の端板４３及び第２の端板４４の同軸上に、第１のパイプ４８、第２のパイプ４９及び圧力調整器５０を更に備えている。
【００７８】
始めに、第２の実施形態に係る動力回収装置４内のロータ４１の形状について説明する。
【００７９】
ロータ４１は、第１の実施形態に係る動力回収装置４に含まれるロータ４１と同様に、複数の第１の貫通孔４１１、第２の貫通孔４１２及び連結空間４１３を有する。但し、各第１の貫通孔４１１と連結空間４１３とは、第１の実施形態に示す構成と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略し、第２の貫通孔４１２について説明する。
【００８０】
第２の貫通孔４１２は、第１の端板側４３の底面に形成された穴ｈ３´（図示せず）から第２の端板４４側の底面に形成された穴ｈ４までを貫通するように形成される。また、穴ｈ３´は、直径が穴ｈ４の直径より長くなるように、かつ第１の実施形態に係る動力回収装置４内のロータ４１に形成された穴ｈ３の直径より長くなるように形成される。すなわち、穴ｈ３´は、直径が「穴ｈ４＜穴ｈ３＜穴ｈ３´」の関係を有するように形成される。
【００８１】
次に、第１の端板４３の形状について説明する。
【００８２】
第１の端板４３は、２つの第３の貫通孔４３１、第４の貫通孔４３２及び２つのテーパ溝４３３を有する。但し、２つの第３の貫通孔４３１と２つのテーパ溝４３３とは、第１の実施形態に示す形状と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略し、第４の貫通孔４３２について説明する。
【００８３】
第４の貫通孔４３２は、第２の貫通孔４１２と同軸上に形成され、第３の貫通孔４３１と同様に、第１の端板４３の底面からもう一方の底面までを貫通するように形成される。また、第４の貫通孔４３２は、穴ｈ３´と同じ直径の底面を有する円筒状に形成される（すなわち、図２２に示すように、ナット４６及び座金４７を用いてボルトを固定したとしても、ロータ４１内からリーク（流出）した原水及び高濃度原水が第４の貫通孔４３２から流出可能な空間を有するように形成される）。
【００８４】
なお、第２の端板４４の形状は、第１の実施形態に示す構成と同一であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００８５】
ここで、第１のパイプ４８、第２のパイプ４９及び圧力調整器５０について説明する。
【００８６】
第１のパイプ４８、第２のパイプ４９及び圧力調整器５０は、ロータ４１、筒４２、第１の端板４３及び第２の端板４４と同軸上に配置され、第１のパイプ４８と第２のパイプ４９とが圧力調整器５０の両端（すなわち、圧力調整器５０の入口部分と出口部分）にそれぞれ接続するように配置される。
【００８７】
第１のパイプ４８は、第１の端板内４３に形成された第４の貫通孔４３２と圧力調整器５０とをつなぐように配置される。この第１のパイプ４８の一端は、第１の端板４３のロータ４１側の底面とは反対側の底面の中心部を囲むように固着され、第１のパイプ４８のもう一端は、圧力調整器５０の入口部分に接続される。この第１のパイプ４８は、第１の端板４３の第４の貫通孔４３２の径と同じ長さの直径の底面、又は第４の貫通孔４３２´の径より長い直径の底面を有する円筒状に形成される。
【００８８】
第２のパイプ４９は、圧力調整器５０と外部とをつなぐように配置される。この第２のパイプ４９の一端は、圧力調整器５０の出口部分に接続され、第２のパイプ４９のもう一端は、大気解放されている。なお、第２のパイプ４９の形状は、第１のパイプ４８の形状と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００８９】
このように、第１のパイプ４８及び第２のパイプ４９は、第１の端板４３内に形成された第４の貫通孔４３２からリークした原水や高濃度原水の流路として機能する。
【００９０】
圧力調整器５０は、第１のパイプ４８と第２のパイプ４９との間に挟み込まれるように配置される。この圧力調整器５０の入口部分には、第１のパイプ４８が接続され、圧力調整器５０の出口部分には、第２のパイプ４９が接続される。圧力調整器５０は、第１のパイプ４８（又は、第２のパイプ４９）の底面より大きい面を有する立方体形状に形成される。なお、本実施形態では、圧力調整器５０の形状が立方体であるとしたが、これに限定されない。
【００９１】
ここで、圧力調整器５０の機能について説明する。
【００９２】
圧力調整器５０は、第１の端板４３内に形成された第４の貫通孔４３２と、ロータ４１内部に形成された第２の貫通孔４１２と連結空間４１３とを含む空間（以下、調整空間と呼ぶ）の圧力を調整する機能をもっている。具体的には、圧力調整器５０は、第１のパイプ４８と接続される入口部分の圧力（以下、入口圧力と呼ぶ）が予め設定された圧力以下である場合には、第１の端板４３からリークした原水及び高濃度原水を外部に排出せず（すなわち、調整空間の現状の圧力を維持し）、入口圧力が予め設定された圧力以上である場合には、第１の端板４３からリークした原水及び高濃度原水を外部に排出し、調整空間の圧力を低下させる。
【００９３】
なお、本実施形態に係る動力回収装置４の動作は、第１の実施形態に係る動力回収装置４の動作と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００９４】
以上説明した第２の実施形態によれば、第１のパイプ４８、第２のパイプ４９及び圧力調整器５０を更に備えた構成により、調整空間の圧力を予め設定された値に維持することができ、動力回収装置４がより確実に正常に動作することができる。
【００９５】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、２つの円柱を組み合わせた形状のピストン４１４と、密閉空間Ｓｐ内に充満する水や空気の流路である連結空間４１３とを有するロータ４１を備えた構成により、原水の圧力を逆浸透膜６から供給される高濃度原水の圧力とは異なる値に昇圧可能であり、海水淡水化プラント内にブースターポンプを設ける必要がなく、プラント建設コストを削減することができる。
【００９６】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９７】
１…前処理系、２…送水ポンプ、３…保安フィルタ、４…動力回収装置、５…高圧ポンプ、６…逆浸透膜、４１…ロータ、４２…筒、４３…第１の端板、４４…第２の端板、４５…ボルト、４６…ナット、４７…座金、４８…第１のパイプ、４９…第２のパイプ、５０…圧力調整器、４１１…第１の貫通孔、４１２…第２の貫通孔、４１３…連結空間、４１４…ピストン、４１５…ストッパ、４３１…第３の貫通孔、４３２…第４の貫通孔、４３３，４４３…テーパ溝、４４１…第５の貫通孔、４４２…第６の貫通孔、Ｅｎ１，Ｅｎ１´…第１の流入口、Ｅｎ２，Ｅｎ２´…第２の流入口、Ｅｘ１，Ｅｘ１´…第１の流出口、Ｅｘ２，Ｅｘ２´…第２の流出口、ｆ１…面、ｈ１〜ｈ８，ｈ３´…穴、Ｓｐ…密閉空間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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